Neuer Schaltprozess in spintronischen Bauelementen

Forscher haben in einem ferromagnetischen Material einen neuartigen magnetischen Schaltprozess beobachtet, der sehr schnell abläuft und kaum Energieaufwand erfordert. Das Material muss dazu aus ringförmigen Nanostrukturen bestehen. Diese Strukturen könnten den Weg zu energiesparenden neuen Datenspeichern ebnen. 

Magnetische Datenspeicher basieren auf Bauelementen mit zwei stabilen magnetischen Zuständen, zwischen denen sich hin- und herschalten lässt. Geeignet für solche Bauelemente sind ringförmige Strukturen aus einem permanentmagnetischen Material, mit winzigen Durchmessern von tausendstel Millimetern. Die Nanoringe können im oder gegen den Uhrzeigersinn magnetisiert sein. Bisher gelingt das Umschalten zwischen den beiden Zuständen nur, wenn ein komplexes zirkular magnetisches Feld anliegt.

Ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Berlin, der Uni Mainz und des Stuttgarter Max Planck Instituts für Intelligente Systeme hat nun herausgefunden, wie es leichter gehen könnte. Das Loch im Ring wird dazu nicht mittig, sondern leicht asymmetrisch angeordnet. Der Ring an einer Seite ist dann dünner als an der anderen – und das Umschalten wird einfach. Es genügt ein magnetisches Feld, das nur wenige Milliardstel Sekunden lang stabil sein muss, um die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in den Gegenuhrzeigersinn zu drehen.

Energieeffiziente Datenspeicherung

An der Maxymus-Beamline der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II in Berlin konnte das Team mit Hilfe von zeitaufgelöster Röntgen-Mikroskopie die Prozesse beobachten. Sie dokumentierten, wie sich die Magnetisierung entwickelt, nachdem der kurze Magnetfeldpuls angelegt wurde. Durch den magnetischen Puls bilden sich zunächst zwei Domänenwände im Ring aus. Sobald das äußere magnetische Feld abgeschaltet wird, bewegen sich die Domänenwände sehr schnell aufeinander zu und vernichten sich. Dadurch dreht sich die Magnetisierung vom Uhrzeigersinn in die Gegenrichtung um.

Die Messungen zeigen, dass sich die Domänenwände im Durchschnitt 60 Meter pro Sekunde bewegen – sehr schnell für spintronische Anwendungen. Nun sind die Wissenschaftler sicher, einen robusten, zuverlässigen Umschaltprozess  gefunden haben.  Er wäre geeignet für Anwendungen in der Spintronik, bspw. energieeffiziente Datenspeicherung.